2.7 Równanie stanu gazu doskonałego(c7)

Podobne dokumenty
2.7 Równanie stanu gazu doskonałego(c7)

2.7 Równanie stanu gazu doskonałego(c7)

1 Równanie stanu gazu doskonałego

Doświadczenie B O Y L E

GAZ DOSKONAŁY. Brak oddziaływań między cząsteczkami z wyjątkiem zderzeń idealnie sprężystych.

Badanie zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia

Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej.

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

Podstawowe pojęcia Masa atomowa (cząsteczkowa) - to stosunek masy atomu danego pierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do masy 1/12

Podstawy termodynamiki

Wykład FIZYKA I. 14. Termodynamika fenomenologiczna cz.ii. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Zadanie 1. Zadanie: Odpowiedź: ΔU = 2, J

WYKŁAD 2 TERMODYNAMIKA. Termodynamika opiera się na czterech obserwacjach fenomenologicznych zwanych zasadami

Prawa gazowe- Tomasz Żabierek

Zadanie 1. Zadanie: Odpowiedź: ΔU = 2, J

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

GAZ DOSKONAŁY W TERMODYNAMICE TO POJĘCIE RÓŻNE OD GAZU DOSKONAŁEGO W HYDROMECHANICE (ten jest nielepki)

Wykład Praca (1.1) c Całka liniowa definiuje pracę wykonaną w kierunku działania siły. Reinhard Kulessa 1

Równanie gazu doskonałego

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

Termodynamika Część 2

Zasady oceniania karta pracy

WYZNACZANIE STOSUNKU c p /c v

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

3. Przyrost temperatury gazu wynosi 20 C. Ile jest równy ten przyrost w kelwinach?

Ć W I C Z E N I E N R C-7

1. 1 J/(kg K) nie jest jednostką a) entropii właściwej b) indywidualnej stałej gazowej c) ciepła właściwego d) pracy jednostkowej

Podstawowe pojęcia 1

TERMODYNAMIKA. przykłady zastosowań. I.Mańkowski I LO w Lęborku

termodynamika fenomenologiczna

Gaz rzeczywisty zachowuje się jak modelowy gaz doskonały, gdy ma małą gęstość i umiarkowaną

Wykład 7: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Termodynamika Termodynamika

[1] CEL ĆWICZENIA: Identyfikacja rzeczywistej przemiany termodynamicznej poprzez wyznaczenie wykładnika politropy.

ĆWICZENIE 3 REZONANS AKUSTYCZNY

Zadania domowe z termodynamiki I dla wszystkich kierunków A R C H I W A L N E

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Rozszerzalność cieplna ciał stałych

Para wodna najczęściej jest produkowana w warunkach stałego ciśnienia.

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyny

TERMODYNAMIKA Zajęcia wyrównawcze, Częstochowa, 2009/2010 Ewa Mandowska

Plan wynikowy fizyka rozszerzona klasa 3a

Przegląd termodynamiki II

ZALEŻNOŚĆ CIŚNIENIA PARY NASYCONEJ WODY OD TEM- PERATURY. WYZNACZANIE MOLOWEGO CIEPŁA PARO- WANIA

T e r m o d y n a m i k a

Podstawy termodynamiki

Wykład Temperatura termodynamiczna 6.4 Nierówno

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

Termodynamika. Część 4. Procesy izoparametryczne Entropia Druga zasada termodynamiki. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do rachunku błędów pomiarowych

1 Wymagania egzaminacyjne na egzamin maturalny - poziom rozszerzony: fizyka

Ćwiczenie nr 43: HALOTRON

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

4. 1 bar jest dokładnie równy a) Pa b) 100 Tr c) 1 at d) 1 Atm e) 1000 niutonów na metr kwadratowy f) 0,1 MPa

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

Przemiana izochoryczna. Prawo Charlesa

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyn i współczynnika sztywności zastępczej

Przemiany termodynamiczne

Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny

SPRAWDZENIE PRAWA HOOKE'A, WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA, WSPÓŁCZYNNIKA POISSONA, MODUŁU SZTYWNOŚCI I ŚCIŚLIWOŚCI DLA MIKROGUMY.

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Fizyka 14. Janusz Andrzejewski

1. PIERWSZA I DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI TERMOCHEMIA

1.10 Pomiar współczynnika lepkości cieczy metodą Poiseuille a(m15)

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Krótki przegląd termodynamiki

4. Przyrost temperatury gazu wynosi 20 C. W kelwinach przyrost ten jest równy

LXVIII OLIMPIADA FIZYCZNA

b) Wybierz wszystkie zdania prawdziwe, które odnoszą się do przemiany 2.

Termodynamika Część 7 Trzecia zasada termodynamiki Metody otrzymywania niskich temperatur Zjawisko Joule'a Thomsona Chłodzenie magnetyczne

100 29,538 21,223 38,112 29, ,118 24,803 49,392 41,077

= = Budowa materii. Stany skupienia materii. Ilość materii (substancji) n - ilość moli, N liczba molekuł (atomów, cząstek), N A

Zasady termodynamiki

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Teoria kinetyczna INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do obliczania niepewności pomiarowych

Ruch jednowymiarowy. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła prostego

16 GAZY CZ. I PRZEMIANY.RÓWNANIE CLAPEYRONA

Wyznaczanie składowej poziomej natężenia pola magnetycznego Ziemi za pomocą busoli stycznych

Elementy tworzące świat i ich wzajemne oddziaływanie: b) zjawiska cieplne

MECHANIKA PŁYNÓW LABORATORIUM

[ ] ρ m. Wykłady z Hydrauliki - dr inż. Paweł Zawadzki, KIWIS WYKŁAD WPROWADZENIE 1.1. Definicje wstępne

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Zależność napięcia powierzchniowego cieczy od temperatury. opracowała dr hab. Małgorzata Jóźwiak

Kształcenie w zakresie podstawowym. Klasa 2

Spotkania z fizyka 2. Rozkład materiału nauczania (propozycja)

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wyznaczanie entalpii parowania wody na podstawie pomiaru temperaturowego współczynnika prężności pary

Ćwiczenia rachunkowe z termodynamiki technicznej i chemicznej Zalecane zadania kolokwium 1. (2014/15)

Obiegi gazowe w maszynach cieplnych

Temodynamika Roztwór N 2 i Ar (gazów doskonałych) ma wykładnik adiabaty κ = 1.5. Określić molowe udziały składników. 1.7

Ćwiczenia audytoryjne z Chemii fizycznej 1 Zalecane zadania kolokwium 1. (2018/19)

3.1. Równowagi fazowe układach jednoskładnikowych 3.2. Termodynamika równowag fazowych 3.3. Równowagi fazowe układach dwuskładnikowych 3.4.

3.5 Wyznaczanie stosunku e/m(e22)

b) Wybierz wszystkie zdania prawdziwe, które odnoszą się do przemiany 2.

Transkrypt:

98 Ciepło 2.7 Równanie stanu gazu doskonałego(c7) Celem ćwiczenia jest sprawdzenie stosowalności równania Clapeyrona stanu gazu doskonałego do opisu przemian gazu rzeczywistego- powietrza, oraz wyznaczenie uniwersalnej stałej gazowej. Wymagana znajomość zagadnień na podstawie zalecanej literatury: gaz doskonały; równanie stanu gazu doskonałego(clapeyrona); przemiana izotermiczna: prawo Boyle a Mariotte a(t =const); przemiana izobaryczna: prawo Gay-Lussaca(p=const); przemiana izochoryczna; prawo Charlesa(V =const); definicje współczynników: rozszerzalności cieplnej, prężności cieplnej i ściśliwości objętościowej. Zalecanaliteratura:[13],[1],[24]. 2.7.1 Podstawowe pojęcia i definicje Przemiany stanu gazu doskonałego Rozważając i opisując przemiany gazowe posługujemy się pojęciem tzw. gazu doskonałego, którego własności są jednoznacznie określone. Mikroskopowym wyobrażeniem gazu doskonałego jest olbrzymie zbiorowisko punktów materialnych, poruszających się ruchem chaotycznym, podlegającym zasadom dynamiki klasycznej, spreżyście i natychmiastowo zderzających się ze sobą i ze ściankami naczynia. Liczba tych cząsteczek jest z założenia ogromna, tak duża, że można własności makroskopowe tego zbiorowiska opisywać charakterystycznymi uśrednionymi wielkościami(parametrami) typowymi dla opisu gazów rzeczywistych: jego temperaturą bezwzględną T, ciśnieniem p,objętością V,orazilościąsubstancji n(liczbąmoli).parametryteniesąodsiebie niezależne. Jak pokazał Benoît Clapeyron dla gazu doskonałego są one ściśle powiązane ze sobą tzw. ogólnym równaniem stanu gazu doskonałego pv = nrt, (2.7.1) gdzie R = 8.314J/(mol K) jest uniwersalną stałą gazową. Oznacza to, że wszystkie możliwe do osiągnięcia stany dla n moli gazu doskonałego odpowiadają punktom leżącymnapowierzchni pv/t = nrrozpiętejwprzestrzenip-v-t,jakpokazanona Rysunku 2.7.1. Zatem wszystkim możliwym przemianom stanu gazu doskonałego będzie odpowiadać wędrówka punktu(stanu) po tej powierzchni. Na Rysunku 2.7.1 zaznaczono również trajektorie ruchu punktu(stanu) po tej powierzchni, jak i projekcje tych trajektorii na płaszczyzny p-v, V-T, i p-t, w trakcie trzech najczęściej rozważanych przemian gazowych: przemiany izotermicznej, T = const- prawo Boyle a Mariotte a(pv = const), przemianyizobarycznej, p =const-prawogay-lussaca(v/t =const),

Równanie stanu gazu doskonałego(c7) 99 Rys. 2.7.1: Graficzna interpretacja równania gazu doskonałego w przestrzeni parametrów p-v-t. Przerywanymi liniami zaznaczono poglądowo położenie badanych w Doświadczeniu izotermę (T = T 1 ), izobarę (p = p a ) i izochorę (V = V 1 ). Zobacz również http://demonstrations.wolfram.com/pressurevolumetemperaturediagram/. przemiany izochorycznej, V = const- prawo Charlesa(p/T = const). Równanie stanu gazu doskonałego zostało wyprowadzone dla przypadku idealnego, modelowego. Jak pokazały badania gazów rzeczywistych, Równanie(2.7.1) również dobrze opisuje ich zachowanie przy dostatecznie niskich ciśnieniach, a własności takich gazów jak tlen i azot, nawet przy ciśnieniu atmosferycznym, są zbliżone do własności gazu doskonałego. Ponieważ tlen i azot stanowią łącznie 99% składu powietrza, można oczekiwać, że własności powietrza również powinny być dobrze opisane Równaniem (2.7.1). Zbadanie słuszności tej hipotezy jest właśnie tematem tego Doświadczenia.

100 Ciepło Badając własności powierzchni pv/t = const interesujemy się przede wszystkim jej krzywizną, w szczególności gradientami(pochodnymi cząstkowymi) wzdłuż podstawowych kierunków układu odniesienia p, V, T. Przyjmijmy następujące oznaczenia dla pochodnych cząstkowych a p = ( V T ), a V = p,n ( ) ( ) p V, a T = T V,n p 1. (2.7.2) T,n Pochodne cząstkowe we wzorach(2.7.2) odpowiadają geometrycznie współczynnikom kierunkowymstycznychdofunkcji V = f(t), p = f(t), V = f(1/p),aichwartościzależąodpoczątkowychwartości V 0, p 0,czy T 0. a p i a V sąściślepowiązanezpowszechnie stosowanymi w opisie własności gazów rzeczywistych współczynnikami rozszerzalności cieplnej(objętościowej) γ 0,ściśliwościobjętościowej χ 0,orazściśliwościobjętościowej χ 0 γ 0 = 1 ( V V 0 T ) p,n β 0 = 1 ( ) p p 0 T χ 0 = 1 ( V V 0 p Wielkości γ 0, β 0 i χ 0 sązesobąpowiązane, V,n = a p V 0, (2.7.3) = a V, (2.7.4) p 0 ). (2.7.5) T,n γ 0 = χ 0 β 0 p 0, (2.7.6) co łatwo można sprawdzić korzystając z różniczki zupełnej określającej całkowitą zmianęobjętości nmoligazu, dv,podwpływemzmiany Ti p ( ) ( ) V V dv = dt + dp. (2.7.7) T p,n p T,n Zakładając słuszność równania Clapeyrona w odniesieniu do gazów rzeczywistych (nawet w ograniczonym obszarze przestrzeni p-v-t) przyjęło się historycznie redukować objętość i ciśniene gazu w temperaturze badań T, do tzw. warunków normalnych, tj. T 0 = 0 o C = 273.15 K, p 0 = 760 mmhg = 101325 Pa: pv T = p 0V 0 T 0. (2.7.8) Jeżelizdoświadczeniawyznaczymyparametrya p,a V ia T,tomożemyzweryfikować na ile własności badanego gazu można uznać za bliskie własnościom gazu doskonałego porównującuniwersalnąstałągazową, R,zwartością R d otrzymanądlapowietrzaz

Równanie stanu gazu doskonałego(c7) 101 jednego ze wzorów R d = p 0 a p n, a V V 0 n, a T nt 0. (2.7.9) które łatwo wyprowadzić wyliczając pochodne z(2.7.2) dla przypadku gazu doskonałego, wz.(2.7.1). 2.7.2 Przebiegpomiarów Układ doświadczalny W skład układu doświadczalnego przedstawionego na rys. 2.7.2 wchodzą: zamknięta od góry szklana rurka pomiarowa(odwrócona próbówka)(a) z pewną ilością badanego powietrza połączona dolnym, otwartym końcem(b) z manometrem rtęciowym w kształcie litery U(c) utworzonym przez elastyczny wąż z tworzywa sztucznego zakończony otwartym zapasowym zbiornikiem z rtęcią(f); statyw ze skalą(d); rurka pomiarowa a jest otoczona kołnierzem rurkowym połączonym z termostatem przepływowym z wodą destylowaną; kołnierz wyposażony jest w termometr rtęciowy. Na sali Ćwiczenia znajduje się również barometr rtęciowy. Rurka pomiarowa a zamocowana jest na stałe do statywu, natomiast zbiornik zapasowy manometru może być swobodnie przesuwany wzdłuż pionowych prowadnic statywu, z możliwością blokowania położenia klipsem zaciskowym. Przez zmianę wysokości zbiornika zapasowego można zmieniać ciśnienie i objętość badanego gazu. Objętość V badanego powietrza jest proporcjonalna do odczytanej wysokości l kolumny powietrza w rurce pomiarowej: V = π(d/2) 2 l+v z, (2.7.10) gdzied = 1.14cmtośrednicawewnętrznarurkipomiarowej,V z = 1.02mljestobjętością górnej zaokrąglonej części zbiornika(stała aparaturowa). Ciśnienie badanego powietrza wynosi p = p a +ρ Hg gh, (2.7.11) gdzie p a tozewnętrzne(atmosferyczne)ciśnieniepowietrza, h różnicawysokościpoziomówrtęciwrurcepomiarowejizbiornikuzapasowym,aρ Hg i gsąodpowiednio gęstpścią rtęci i przyśpieszeniem ziemskim. W zależności od tego, w którym zbiorniku poziom rtęci jest wyżej- w zapasowym czy w rurce pomiarowej, h przyjmuje wartości dodatnie lub ujemne.

102 Ciepło Rys. 2.7.2: Układ doświadczalny do badania równania stany gazu doskonałego. Przebieg doświadczenia Zmierzyćzewnętrzneciśnieniepowietrza p a.wpierwszejczęścidoświadczeniamierzymyzależność pvs. Vprzystałym T = T 1.Włączamytermostatprzepływowy,który zapewniastałośćtemperatury, T 1.Zmieniającpołożeniezbiornikazapasowegozrtęcią zmieniamy ciśnienie badanego powietrza. Wykorzystujemy cały dostępny zakres położeń zbiornika, zmieniamy położenie zbiornika co około 5cm. Notujemy różnicę poziomówrtęci hidługośćsłupapowietrzawrurce l.

Równanie stanu gazu doskonałego(c7) 103 W drugiej części doświadczenia wyznaczamy wpływ temperatury na ciśnienie i objętość gazu. Badany gaz podgrzewamy za pomocą termostatu przepływowego. Należy zauważyć, że temperatura ustawiana na termostacie może różnić się od temperatury mierzonej termometrem rtęciowym umieszczonym bezpośrednio przy rurce pomiarowej; po każdej zmianie temperatury należy zaczekać na jej ustabilizowanie. Wtemperaturzepoczątkowej T 1 ustalamyciśnieniegazuna p 1 p a poprzezwyrównanie poziomów rtęci w rurce pomiarowej i zbiorniku zapasowym, h=0. Zaznaczamy ten poziom rtęci markerem na płaszczu wodnym rurki pomiarowej. Tym samym ustalamyteżobjętośćgazu V 1. Następnie podnosimy temperaturę krokowo, w krokach co około 5 stopni, dochodząc do temperatury wrzenia wody. Po każdym kroku odczekujemy chwilę na ustabilizowanietemperaturyinotujemyjejwartość.wkaḋejtemperaturzewyznaczamy:(1) objętość Vprzystałymciśnieniu p = p 1 (równoważymypoziomyrtęciwrurcepomiarowejizbiornikuzapasowym);(2)ciśnienie pprzystałejobjętości V = V 1 (zmieniając różnicępoziomówrtęci hdoprowadzamygazdopierwotnejobjętości V 1 ).Oprócztemperatury notujemy odpowiednio długość słupa powietrza w rurce l dla(1) i różnicę poziomów rtęci h dla(2). 2.7.3 Opracowaniewyników Korzystając z pomiarów h i l wyliczyć ciśnienie p i objętość V dla wszystkich punktów pomiarowych. Zrobić wykresy zależności objętości od ciśnienia oraz objętości ododwrotnościciśnieniaprzystałejtemperaturze T 1.Dodrugiejzależnościdopasować prostą metodą regresji liniowej. Wykonać wykresy zależności objętości od temperatury(p = const) i zależności ciśnienia od temperatury(v = const). Do wykresów dopasowujemy proste metodą regresji liniowej. Ze współczynników kierunkowych prostych uzyskujemy wartości pochodnych cząstkowych a p, a V i a T.Należypamiętać,żewspółczynnkiteodnosząsiędowarunków panującychwczasieeksperymentu(p 1, V 1, T 1 ),aniedowarunkównormalnych(p 0, V 0, T 0 ).Zapomocąredukcjiobjętości V 1 do V 0 zrównania(2.7.1)znajdujemyliczbę moli n badanego powietrza. Dalej, ze wzorów(2.7.9) wyznaczamy wartość stałej gazowej R d natrzysposoby,zakońcową,średniąwartośćstałejgazowej Rprzyjmujemy średnią arytmetyczną ważoną tych wartości. Z równań(2.7.3) i(2.7.4) wyznaczamy współczynniki γ 1 i β 1,akorzystajączezwiązku(2.7.6)wyliczamy χ 1. Przeprowadzamy analizę niepewności, a wyniki porównujemy z wartościami tablicowymi. Sprawdzamy poprawność związków γ 1 = 1/T 1, β 1 = 1/T 1, χ 1 = 1/p 1. (2.7.12)